Contribución a la transmisión de vídeo en redes IP con calidad de servicio

Abstract

Hoy en día, entre los servicios más solicitados por los usuarios en las redes de comunicaciones, se encuentran aquellos que incorporan información multimedia. En Internet, es habitual que un gran número de páginas web incorporen imágenes, información de audio y en algunos casos, información de vídeo. Sin embargo, debido a que Internet sólo ofrece un servicio de entrega best-effort, la información audiovisual recibe el mismo tratamiento que el dispensado a cualquier otro tipo de datos poco sensibles al retardo temporal. Con el fin de desarrollar nuevos marcos de operación que permitan la diferenciación en el tratamiento de los servicios sobre redes basadas en IP, el IETF ha propuesto dos arquitecturas de red con calidad de servicio: IntServ y DifServ. De esta forma se pretende soportar adecuadamente la transmisión de flujos inelásticos de tasa variable mediante la ubicación de recursos especialmente dedicados al transporte de servicios con restricciones temporales acotadas. Actualmente, el tráfico de vídeo se transporta principalmente a través de canales de tasa binaria constante. Sin embargo, este tráfico es por naturaleza variable, con lo que la utilización de los recursos de red se vería sustancialmente mejorada utilizando canales de tasa variable.<br/><br/>En este trabajo se plantea el problema de la transmisión eficiente de tráfico de vídeocomprimido MPEG de tasa variable sobre redes IP con calidad de servicio. Para ello, en primer lugar se realiza un, estudio de los algoritmos de compresión más comúnmente utilizados en la actualidad. A continuación, se realiza un análisis detallado de las distintas alternativas para la transmisión de vídeo en redes IP. En primera instancia se ha descrito la problemática del transporte de vídeo en redes de conmutación de paquetes sin garantías de servicio, discutiendo la necesidad de la aplicación de técnicas de control de tasa y suavizado de tráfico.<br/>Posteriormente se han introducido las nuevas arquitecturas IntServ y DiffServ especificadas para dar soporte a servicios con un nivel de calidad garantizado. Sobre estas arquitecturas se han discutido las posibles alternativas de transmisión de vídeo sobre redes IP con QoS y la adecuación de los esquemas de codificación de vídeo estandarizados que pueden ser aplicados sobre ellas.<br/><br/>A partir de este estudio se ha puesto de relieve la necesidad de la caracterización del tráfico de vídeo ya que requiere de elevados anchos de banda que además fluctúan ampliamente a lo largo de la conexión. La caracterización del tráfico se ha llevado a cabo a través del modelado MMFP bidimensional de los flujos de vídeo VBR a nivel de GoP. El estudio se ha realizado con un amplio conjunto de secuencias codificadas VBR con diferentes niveles de calidad y resolución espacial. Los resultados han demostrado la aplicabilidad de este modelo de forma general sobre cualquier secuencia de vídeo con independencia de su resolución o nivel de degradación introducido en el proceso de codificación. Una de las principales contribuciones al modelado de estos servicios ha sido el desarrollo de una metodología de ajuste de los parámetros del modelo MMFP bidimensional que permite una automatización del proceso de caracterización del tráfico de vídeo.<br/><br/>Una vez se ha alcanzado un conocimiento de comportamiento del tráfico de vídeo de calidad de imagen constante, se ha abordado su transmisión sobre redes IP con QoS. El marco de trabajo contempla la aplicación de mecanismos de renegociación y de asignación dinámica de recursos. El trafico de vídeo detasa variable es un ejemplo claro en el que un sistema de renegociaciones maximiza la eficiencia de los recursos de red. La gran variabilidad de tasa binaria exhibida por este tipo de tráfico y su grado de persistencia hacen apropiada la aplicación de técnicas de segmentación sobre las secuencias de vídeo. En este trabajo se han analizado diferentes esquemas de renegociación y se ha estudiado su aplicabilidad en el contexto de redes IP con QoS y facilidades de renegociación de recursos por conexión. Se han analizado las técnicas "Work-ahead buffering" donde se explota intensivamente el buffer del cliente para almacenar datos enviados "por adelantado". El estudio ha permitido derivar una nueva propuesta denominada 2-RCBR. Complementariamente, se ha derivado una nueva técnica de segmentación basada en el modelo MMFP bidimensional analizado, obteniéndose un esquema de segmentación genérico e independiente de la resolución y del factor de cuantificación utilizado ella codificación de las secuencias. Este método, que se ha denominado método de los umbrales genéricos, permite desarrollar una segmentación de una secuencia de vídeo de forma extraordinariamente simple con un elevado nivel de eficiencia. Por otro lado, teniendo en cuenta que se desea fijar una cota máxima del retardo extremo a extremo durante el servicio de video streaming, se ha propuesto una nueva técnica de segmentación basada en el retardo máximo aceptado, garantizando un retardo máximo dentro de la red IP para cada segmento transmitido.<br/><br/><br/>La última parte del trabajo ha desarrollado la arquitectura de transmisión escalada sobre redes IP. A raíz de los excelentes resultados obtenidos hasta el momento, se ha procedido a aplicar la misma metodología para la codificación escalable. Se ha caracterizado el flujo escalable de tasa variable mediante el modelo MMFP bidimensional y se han aplicado las técnicas de segmentación propuestas anteriormente. Los resultados obtenidos han seguido el comportamiento esperado, pudiéndose considerar satisfactorios.